Categorical effect studied through fmri in color perception

Abstract

Rengin kategorik olarak algılanması fikri yaygınlıkla kabul görmektedir. Rengin kategorik algısı farklı kategorilere ait olan renklerin aynı kategoriye ait renklerden daha kolay daha çabuk ve daha doğru ayırt edilmesi eğilimi olarak tanımlanabilir. Bu çalışmada, beyin aktivitesindeki değişmenin, yüksek düzey süreçlerin alt düzey algı üzerindeki etkisinin bir örneği olan kategorik renk algısı kavramını doğrulayıp doğrulamadığı araştırılmıştır. Katılımcılar renk çiftleri üzerinde renk ayrımı yapmışlardır. Yeşil-mavi bölgesinde üç renk çifti kategorisi şu şekilde tanımlanmıştır: çiftlerden biri, yeşil-mavi sınırının yeşil tarafından bir renk tonu ve mavi tarafından başka bir renk tonu seçilerek oluşturulmuş ve çapraz-kategori olarak nitelendirilmiştir. Diğer iki renk çifti, yeşilin iki tonu seçilerek yeşil-içi ve mavinin iki tonu seçilerek mavi-içi olmak üzere kategori-içi özellik taşımaktadır. Çok önemli bir şekilde, çiftler sadece renk tonu boyutunda değişiklik göstermektedir ve her bir çiftin arasında CIE LCh renk uzayına göre 10 derece fark vardır. Renk ayrımındaki uzaysal etkinin ayrıca araştırılması amacıyla renk çiftleri ekranda bitişik ya da aralarına boşluk koyularak gösterilmiştir. Doğru cevaplar, tepki süreleri ve kan oksijen seviyesi bağımlı fMRG BOLD sinyali kaydedilmiştir. Davranışsal bulgular yeşil alandan mavi alana doğru azalan ve kategorik renk algısı görüşünün mavi-yeşil sınırında hem mavi hem yeşil alan içindekinden daha iyi performans öngörüsü ile çelişmektedir. Aynı zamanda davranışsal bulgular, renklerin bitişik gösteriminin ayrık gösterime göre renk ayrımını kolaylaştırdığını göstermiştir. Beyin aktivitesi yayılımı bu ayrı davranışsal farkların temelinde ayrı nöral süreçler bulunabileceğini işaret etmiştir. Renk metriğine göre standartlaştırılmış olmalarına rağmen deneyimizdeki üç kategori, zorluk derecesi ve bellek gereksinimleri açısından farklılık göstermiş olabilir. Yeşil-içi ve çapraz kategori durumlarının karşılaştırılmasında rapor edilen beyin aktivitesi farkları Frontal Eye Fields bölgesinde ve bu bölge tarafından tetiklen Fusiform Gyrus bölgesinde odaklanmıştır. Bu alanlardaki aktivasyon artışı yüksek skorlar ve gelişmiş görsel performansla alakalıdır ve bu da yeşil-içi ayrımında çapraz-kategori ayrımından daha iyi performans gösterilmesi ile uyumludur. Aynı karşılaştırma için Parahippocampal Gyrus ve Precuneus bölgelerindeki aktivasyon, yeşil-içi ayrımında görsel olarak çapraz-kategori ayrımından daha iyi anımsama ve uzaysal işler bellekte daha etkili tutulma sonucu davranışsal iyileşmeyi göstermektedir. Mavi-içi ve çapraz kategori durumlarının karşılaştırılmasında rapor edilen beyin aktivitesi farkları, renk hafızası yönüyle renk ayrımına dâhil olan Superior Temporal Gyrus bölgesinde yoğunlaşmıştır. Mavi-içi ve yeşil-içi durumları karşılaştırıldığında Fusiform Gyrus bölgesinde aktivasyon farkı oluştuğu görülmüştür ve bu fark kategorik etkiye atfedilebilecek tek beyin aktivitesidir. Bu karşılaştırma ek olarak Medial Frontal ve Superior Frontal bölgelerde aktivasyon farkı yaratmıştır ve bu aktivasyon yeşil-içi ayrımında mavi-içi ayrımından daha emin algısal kararlar verilmesiyle ve artan performansla alakalıdır. Ek olarak, Cuneus ve Lingual Gyrus aktivasyonları, uyaranların ayrık gösteriminin renk ayrımı için bitişik gösterimden daha fazla bilişsel kaynak gerektirdiğine işaret etmektedir. Sonuç olarak, bildiğimiz kadarıyla, çalışmamız renk algısının nöral kapsamını inceleyen çalışmalar içerisinde renk algısının bellek ve dikkati harekete geçiren birçok karmaşık alt süreçler içerebileceğini ortaya çıkaran ilk çalışmadır.

It is widely accepted that color is perceived categorically. Categorical perception of color can be defined as the tendency to discriminate colors that are from different categories easier, quicker and more accurately than colors that are from the same category. The present study investigated whether brain activity patterns verifies the concept of categorical color perception, an instantiation of top-down influences on low-level perception. Participants performed a color discrimination task on color pairs. Three categories of color pairs are defined in the green-blue region as follows. One of the pairs was specified as cross-category pair by choosing one color from green side of the green-blue boundary and the other color from blue side. The other two pairs were featured as within-category pairs by choosing two shades of green for within-green pair and two shades of blue for within-blue pair. Crucially, the pairs varied only in hue dimension and the physical distance between each of three pairs was set to 10 degrees in CIE LCh space. Pairs on the screen are displayed adjacently or with gaps in between, to further investigate the effect of space in color discrimination. Correct responses, reaction times and fMRI BOLD signals are recorded. Behavioral findings yielded a decrementing pattern from green to blue region challenging the prediction of categorical perception argument that performance is better at green-blue boundary than both within green and blue regions. Behavioral findings also indicated that adjacent display of colors facilitated color discrimination when compared to display of colors with spatial gaps. Brain activity patterns indicated that separate neural processes might underlie these distinct behavioral differences. Although standardized with respect to the color metric, the three categories of our experiment might have involved differences with respect to difficulty levels and memory requirements. Brain activity differences reported in the within-green condition versus cross-category condition are focused on Frontal Eye Fields and Fusiform Gyrus, which is seem to be modulated by Frontal Eye Field activity; increased activation in these regions is related to enhanced visual performance and higher scores, which is consistent with significantly better performance in within-green discrimination than cross-category discrimination. For the same contrast, Parahippocampal Gyrus and Precuneus activations suggest better visual recall and behavioral improvement due to more efficient maintenance in spatial working memory for within-green discrimination than cross-category discrimination. Brain activity differences reported in the within-blue condition versus cross-category condition is focused on Superior Temporal Gyrus, which is involved in color discrimination having the role of color memory. When within-green and within-blue conditions are compared, there was differential activation in the Fusiform Gyrus, and this is the only brain activity which might be attributed to a categorical effect. This comparison also yielded activity in Medial Frontal and Superior Frontal regions concerning more confident perceptual decisions and improved performance on within-green discrimination than within-blue discrimination. In addition, spatial separation of stimuli entailed more cognitive resources to color discrimination than adjacent stimuli as suggested by Cuneus and Lingual Gyrus activations. Overall, to the best of our knowledge our study is the first to investigate the neural framework for color perception, which revealed that color perception might involve several complex sub-processes that activate memory and attention.